儀器分析-電子教材:第十一章離子色譜法

第十一章  離子色譜法

離子色譜法（ion chromatography，IC)是以離子交換樹脂為固定相、洗脫液為流動(dòng)相，根據(jù)試液中各種離子對(duì)固定相親和力的差異而分離，然后進(jìn)行檢測(cè)的一種分離分析技術(shù)。它主要用于分離分析無機(jī)陰離子，也可用于金屬陽離子、有機(jī)酸、有機(jī)堿等能電離的化合物以及能與離子基團(tuán)相互作用的化合物的分離分析，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生檢驗(yàn)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、生命科學(xué)等領(lǐng)域。離子色譜法按分離機(jī)制不同可分為高效離子色譜法（high performance ionchromatography，HPIC)、高效離子排斥色譜法（high performance ionexclusion chromatography，HPIEC)和流動(dòng)相離子色譜法（mobile phase ion chromatography，MPIC)。按色譜流程不同，還可分為抑制型離子色譜法（或雙柱離子色譜法)和非抑制型離子色譜法（或單柱離子色譜法)。離子色譜法具有操作簡(jiǎn)便、靈敏快速、精密度高、選擇性好、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

第一節(jié)  離子色譜儀

采用電導(dǎo)檢測(cè)的離子色譜儀有兩種類型，一類是以抑制電導(dǎo)檢測(cè)為基礎(chǔ)的雙柱離子色譜儀（抑制型)，另一類是以直接電導(dǎo)檢測(cè)為基礎(chǔ)的單柱離子色譜儀（非抑制型)，都是由輸液系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五大部分組成。離子色譜分析流程如圖11-1所示。

圖 11-1  離子色譜流程圖

a 雙柱離子色譜流程圖 b單柱離子色譜流程圖

一、輸液系統(tǒng)

輸液系統(tǒng)包括貯液罐和輸液泵。貯液罐是用聚乙烯材料制成的封閉容器，用以存放流動(dòng)相、再生液和沖洗液。輸液泵一般采用全塑料的雙柱塞式往復(fù)平流高壓泵，以提供平穩(wěn)的液流。由于所使用的流動(dòng)相通常由強(qiáng)酸強(qiáng)堿組成，因此，凡接觸流動(dòng)相的部件包括貯液罐、泵、管道、閥門、柱子及接頭等都要求耐高壓和耐酸堿腐蝕。

二、進(jìn)樣系統(tǒng)

采用六通閥進(jìn)樣，與高效液相色譜儀所用的相同。

三、分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是色譜柱，是離子色譜儀的心臟，起著分離樣品組分的作用。色譜柱一般內(nèi)徑為3～4mm，長(zhǎng)度為150～250mm，一般用耐高壓耐腐蝕的聚氟化合物或環(huán)氧化合物等惰性材料制成。固定相常用離子交換樹脂。色譜柱一般在室溫下使用，有些儀器也配備柱溫箱。

四、檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)的主要部分是檢測(cè)器，是離子色譜儀的眼睛，其作用是將流出色譜柱的洗脫液中被分離組分的濃度變www.med126.com化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。離子色譜儀的檢測(cè)器有電化學(xué)檢測(cè)器和光學(xué)檢測(cè)器兩大類。電化學(xué)檢測(cè)器包括電導(dǎo)和安培檢測(cè)器，光學(xué)檢測(cè)器包括紫外-可見、熒光及原子吸收檢測(cè)器。電導(dǎo)檢測(cè)器（conductance detector)又分為抑制型和非抑制型兩種，其中應(yīng)用廣泛的是抑制型電導(dǎo)檢測(cè)器。下面介紹幾種常用的檢測(cè)器。

（一)抑制型電導(dǎo)檢測(cè)器 抑制型電導(dǎo)檢測(cè)器是通用型檢測(cè)器，由抑制柱（suppressor column)和電導(dǎo)池組成。當(dāng)攜帶樣品組分的洗脫液通過電導(dǎo)池時(shí)，由電導(dǎo)值變化測(cè)量被分離組分的濃度。抑制柱是抑制型電導(dǎo)檢測(cè)器的關(guān)鍵部件，其作用是降低洗脫液的背景電導(dǎo)，增大響應(yīng)信號(hào)，提高檢測(cè)器的信噪比。電導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度高，達(dá)mmol/L級(jí)，甚至μmol/L級(jí)，其不足之處是電導(dǎo)受溫度影響較大，影響檢測(cè)的靈敏度。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)以微處理機(jī)控制的電導(dǎo)檢測(cè)器，可對(duì)環(huán)境溫度作精密、準(zhǔn)確的補(bǔ)償，從而保證了測(cè)定的重現(xiàn)性，提高了檢測(cè)的靈敏度。

（二)紫外-可見光度檢測(cè)器  紫外-可見光度檢測(cè)器（ultraviolet visible detector)與高效液相色譜中使用的無明顯區(qū)別。在可見光區(qū)檢測(cè)時(shí)，常在柱后接后置反應(yīng)器，使被測(cè)組分與顯色劑充分反應(yīng)，以提高測(cè)定的靈敏度，主要用于重金屬、過渡金屬及稀土金屬元素的測(cè)定；在紫外光區(qū)檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)器直接與色譜柱相連，用于有紫外吸收組分的測(cè)定。

熒光檢測(cè)器（fluorescence detector)和安培檢測(cè)器（ampere detector)具有靈敏度高，選擇性好的特點(diǎn)。熒光檢測(cè)器主要用于熒光物質(zhì)或衍生化處理形成熒光衍生物的一類化合物的分析；安培檢測(cè)器主要用于在工作電極表面能產(chǎn)生氧化或還原反應(yīng)物質(zhì)的分析。

五、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

離子色譜儀現(xiàn)在多用色譜工作站記錄離子色譜圖（ions chromatogram)，準(zhǔn)確計(jì)算色譜峰的峰高、峰面積和保留值等數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪制校正曲線和計(jì)算分析結(jié)果等。通過色譜工作站還可以設(shè)置分析條件，控制整個(gè)色譜系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高了離子色譜法的自動(dòng)化和智能化程度。

第二節(jié)  離子色譜法的基本原理及影響色譜峰展寬的因素

離子色譜法是高效液相色譜的一個(gè)分支，其基本原理、色譜理論、常用術(shù)語及定性定量分析等與高效液相色譜基本相同。離子色譜法所用的固定相是經(jīng)過特殊處理的離子交換樹脂（ion exchange resin)或多孔樹脂（porous resin)，流動(dòng)相是強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液。固定相的性質(zhì)除決定分離機(jī)制外，還決定流動(dòng)相以及檢測(cè)方式的選擇。抑制反應(yīng)是抑制型離子色譜高靈敏度和高選擇性的重要因素，也是選擇固定相和流動(dòng)相時(shí)必須考慮的主要因素。

一、離子交換樹脂的類型和選擇性系數(shù)

（一)離子交換樹脂的類型

離子交換樹脂根據(jù)其功能基上可交換離子的電荷不同，分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。離子色譜中應(yīng)用最廣泛的是由苯乙烯-二乙烯基苯共聚物制得的強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂，二乙烯基苯是交聯(lián)劑。按樹脂顆粒的物理結(jié)構(gòu)不同，離子交換樹脂還可分為微孔型、大孔型和薄殼型三種，它們的性能和適用范圍各不相同。目前離子色譜中廣泛采用薄殼型離子交換樹脂（superficial ion exchanger)。

薄殼型陽離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。中心為惰性基核，常用材料為高交聯(lián)度多孔的聚苯乙烯樹脂，直徑為10～20μm或更小。核表面為薄的磺化層（厚度數(shù)十納米)，在水中呈溶脹狀態(tài)，可以發(fā)生離子交換作用。

 圖11-2  薄殼型陽離子離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)  圖11-3  薄殼型陰離子離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)

薄殼型陰離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)如圖11-3所示。中心為表面磺化的薄殼型陽離子交換樹脂，陰離子交換樹脂膠乳微粒（直徑為幾十納米)通過物理或化學(xué)方法牢固的附著在磺化層表面，膠乳層可以發(fā)生離子交換作用。

薄殼型離子交換樹脂的特點(diǎn)是：①交換容量較小，交換速度快，柱效高。②在強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。③剛性較強(qiáng)，受流動(dòng)相沖擊時(shí)基本不變形。

（二)離子交換樹脂的選擇性系數(shù)

離子與交換樹脂的親和力與其在該樹脂上的選擇性系數(shù)有關(guān)。假設(shè)兩種離子A和B在樹脂上進(jìn)行交換，如以a和b分別表示各自的價(jià)態(tài)，r和s分別表示樹脂相和溶液相，則其交換反應(yīng)可用下式表示：

交換反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

   （11-1)

式中，、分別為樹脂相中A、B離子的物質(zhì)的量濃度，、分別為溶液相中A、B離子的物質(zhì)的量濃度。平衡常數(shù)稱為樹脂對(duì)A、B兩種離子的相對(duì)選擇性系數(shù)，也簡(jiǎn)稱為選擇性系數(shù)（selectivity coefficients)。選擇性系數(shù)越大，表示樹脂對(duì)A、B兩種離子的親和力差別越大。為了便于比較和應(yīng)用，常用某離子作為參考離子，測(cè)出一系列離子的選擇性系數(shù)。常用作參考離子的陽離子有Li⁺或H⁺，陰離子有Cl^-。

選擇性系數(shù)不僅與離子和樹脂的性質(zhì)有關(guān)，而且與流動(dòng)相性質(zhì)及濃度有關(guān)。一般來說，離子的價(jià)態(tài)越高、水合離子半徑越大、極化度越大；與樹脂的親和力越強(qiáng)，其選擇性系數(shù)也越大，流出色譜柱也越慢；離子與流動(dòng)相分子的相互作用力越強(qiáng)，其選擇性系數(shù)越小，流出色譜柱也越快。選擇性系數(shù)是選擇流動(dòng)相的主要依據(jù)。在離子濃度相同的情況下，樹脂優(yōu)先選擇具有較高電荷的離子，如陽離子交換樹脂對(duì)帶不同電荷陽離子的選擇性（親和力)次序?yàn)椋篢h⁴⁺＞Fe³⁺＞Ca²⁺＞Na⁺。樹脂對(duì)同價(jià)離子的選擇性是隨著原子量的增大而增強(qiáng)，例如陽離子交換樹脂對(duì)堿金屬和堿土金屬離子的選擇性次序?yàn)椋篊s⁺＞Rb⁺＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺和Ba²⁺＞Sr²⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺。在常溫低濃度時(shí)，常見陽離子對(duì)強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂的選擇性次序?yàn)椋篎e³⁺＞Al³⁺＞Ba²⁺＞Pb²⁺＞Ca²⁺＞Cd²⁺≥Cu²⁺≥Zn²⁺≥Mg²⁺＞K⁺＞NH＞Na⁺＞H⁺。在常溫低濃度時(shí)，常見陰離子對(duì)強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂的選擇性次序?yàn)椋篜O₃^3-＞SO₄^2-＞I^-＞HSO₄^-＞NO₃^-＞CN^-＞NO₂^-＞Cl^-＞HCO₃^-＞OH^-。

二、離子色譜法的基本原理

（一)高效離子色譜法

1.分離機(jī)制 高效離子色譜法是應(yīng)用最廣泛的抑制型離子色譜，固定相是低容量（0.01～0.5mmol/g)的離子交換樹脂，根據(jù)不同離子對(duì)樹脂親和力的差別使試樣組分分離，主要用于親水性陰、陽離子的分析。

陰離子分離中，固定相常用薄殼型陰離子交換樹脂，流動(dòng)相一般用堿性溶液。以聚苯乙烯型季銨型離子交換樹脂作固定相，以NaOH溶液作流動(dòng)相分離陰離子X^-為例。用流動(dòng)相平衡色譜柱后進(jìn)樣，樣品組分在柱上的交換平衡可用下式表示：

陽離子分離中，常用薄殼型陽離子交換樹脂作為固定相，流動(dòng)相一般用酸性溶液。以聚苯乙烯型磺酸型離子交換樹脂作固定相，以HCl溶液作流動(dòng)相分離陽離子M⁺為例，樣品離子在柱上的交換平衡為：

高效離子色譜法的分離機(jī)制除了離子交換之外，對(duì)某些離子也存在非離子相互作用，重要的是吸附作用。

2.抑制柱的工作原理 抑制柱有樹脂填充抑制柱、管狀纖維膜抑制柱、平板微膜抑制柱等。下面以樹脂填充抑制柱為例進(jìn)行討論。樹脂填充抑制柱是第一代抑制柱，其制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，抑制容量中等，至今仍在使用。

陰離子分析中，抑制柱的填料用中到高交聯(lián)度的常規(guī)磺酸型陽離子交換樹脂。分離后的陰離子X^-隨流動(dòng)相NaOH進(jìn)入抑制柱，在柱上發(fā)生兩個(gè)重要的交換反應(yīng)：

經(jīng)過抑制柱反應(yīng)，流動(dòng)相轉(zhuǎn)變成水，樣品離子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的酸。

陽離子分析中，抑制柱的填料用中到高交聯(lián)度的常規(guī)季銨型陰離子交換樹脂。經(jīng)過分離的陽離子M⁺隨流動(dòng)相HCl進(jìn)入抑制柱，在柱上發(fā)生下列交換反應(yīng)：

流動(dòng)相轉(zhuǎn)變成水，樣品離子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的堿。

總之，通過抑制柱反應(yīng)，流動(dòng)相本身的電導(dǎo)值大大降低，改善了檢測(cè)的信噪比，獲得較高的檢測(cè)靈敏度。

樹脂填充抑制柱有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是樹脂需要周期性再生。二是分離弱酸陰離子時(shí)，由于抑制柱樹脂具有高電荷密度，陰離子會(huì)受到Donnan排斥，因此得不到好的再現(xiàn)性，甚至無法進(jìn)行低濃度的定量測(cè)定。管狀纖維膜抑制柱、平板微膜抑制柱、自身再生抑制柱和電化學(xué)抑制柱能克服樹脂填充抑制柱的缺點(diǎn)，特別自身再生抑制柱和電化學(xué)抑制柱是目前最先進(jìn)的抑制柱。

（二)高效離子排斥色譜法

高效離子排斥色譜法主要用于無機(jī)弱酸和有機(jī)酸的分析，也可用于醇類、醛類、糖類、氨基酸的分析。

1.分離機(jī)制 高效離子排斥色譜法的固定相為高交換容量（3～5mmol/g)的離子交換樹脂，樹脂的電荷密度較大，其分離機(jī)制主要基于Donnan排斥，下面以分離水溶液中草酸和丙二酸為例說明。用苯乙烯-二乙烯基苯磺酸型陽離子交換樹脂為固定相、HCl為洗脫液，分離過程見圖11-4。

圖11-4  有機(jī)酸在離子排斥色譜柱上的分離過程

當(dāng)流動(dòng)相通過固定相時(shí)，在磺酸基表面形成水化層，該水化層與流動(dòng)相之間的界面相當(dāng)于帶負(fù)電荷的Donnan膜，該膜只允許未離解的分子通過。洗脫液陰離子和以離子形式存在的其它組分由于受到Donnan排斥，不能通過水化層，很快地流出柱外；未離解的有機(jī)酸不受Donnan排斥，可通過水化層，并在樹脂微孔和洗脫液中進(jìn)行分配而被保留。保留時(shí)間主要取決于弱酸的pKa，pKa越大，保留時(shí)間越長(zhǎng)。所以，草酸（pKa₁=1.27)先流出，丙二酸（pKa₁=2.86)后流出。另外，保留時(shí)間還受空間位阻和吸附作用的影響，空間位阻越大，吸附作用越小，保留時(shí)間越短。

2. 抑制柱的工作原理  有機(jī)酸主要采用抑制型電導(dǎo)檢測(cè)，常用陽離子纖維膜抑制柱，它是一種磺酸型離子交換膜，洗脫液在纖維管內(nèi)流動(dòng)，再生液在纖維管外與洗脫液相反的方向流動(dòng)。以烷基磺酸為洗脫液，氫氧化四丁基銨為再生液分離有機(jī)酸時(shí)，四丁基銨離子通過膜與內(nèi)側(cè)洗脫液和有機(jī)酸中的H⁺交換，并發(fā)生抑制反應(yīng)：

式中，RSO₃^-H⁺為烷基磺酸，TBA⁺OH^-為氫氧化四丁基銨，H⁺A^-為有機(jī)酸。洗脫液中的H⁺與再生液中的OH^-結(jié)合成水，洗脫液轉(zhuǎn)變成RSO₃^-TBA⁺，有機(jī)酸中的H⁺也與再生液中的OH^-結(jié)合成水，有機(jī)酸轉(zhuǎn)變成TBA⁺A^-，從而降低了洗脫液

的高背景電導(dǎo)。RSO₃^-TBA⁺的電導(dǎo)比 RSO₃^-H⁺低很多。

（三)流動(dòng)相離子色譜法

流動(dòng)相離子色譜法又稱為離子對(duì)色譜法（ion pair chromatography)，主要用于分離疏水性的陰陽離子，包括大分子量的脂肪羧酸、陰離子和陽離子表面活性劑、烷基磺酸鹽、芳香磺酸鹽和季銨化合物等。

1.分離機(jī)制 離子對(duì)色譜體系的固定相為高交聯(lián)度高比表面積的中性無離子交換功能基的聚苯乙烯大孔樹脂，流動(dòng)相是水溶液。為了使待測(cè)離子能被固定相保留，必須使其具有足夠的疏水性，因此在流動(dòng)相中加入與被測(cè)離子A⁺電荷相反的平衡離子B^-（稱為對(duì)離子或反離子)，A⁺與B^-能結(jié)合成中性疏水的離子對(duì)A⁺B^-，并在疏水性固定相和流動(dòng)相之間分配，分配平衡為：

離子對(duì)的形成常數(shù)越大，且疏水性越強(qiáng)，則被測(cè)離子的保留時(shí)間越長(zhǎng)。由于不同組分形成離子對(duì)的能力不同以及離子對(duì)的疏水性不同，組分在固定相中的保留作用不同而達(dá)到分離。

2. 離子對(duì)試劑和有機(jī)溶劑  離子對(duì)色譜的流動(dòng)相主要包括離子對(duì)試劑和有機(jī)溶劑，改變離子對(duì)試劑和有機(jī)溶劑的類型和濃度可以達(dá)到不同的分離要求。

離子對(duì)試劑一般是較大的離子型分子，在水中能夠電離產(chǎn)生對(duì)離子，離子對(duì)試劑的選擇取決于待測(cè)離子和試樣基體中其它離子的疏水性。一般親水性離子的分離應(yīng)選用疏水性的離子對(duì)試劑，而疏水性離子的分離則應(yīng)選用親水性的離子對(duì)試劑。陰離子分離中常用離子對(duì)試劑的疏水性次序?yàn)椋簹溲趸�四丁基胺＞氫氧化四丙基胺＞氫氧化四乙基胺＞氫氧化四甲基胺＞氫氧化銨。陽離子分離中常用離子對(duì)試劑的疏水性次序?yàn)椋盒镣榛撬幔靖�烷磺酸＞己烷磺酸＞戊烷磺酸＞全氟磺酸＞高氯酸＞鹽酸。當(dāng)離子對(duì)試劑的濃度增加時(shí)，被分離組分的保留也增強(qiáng)，用電導(dǎo)檢測(cè)時(shí)，其濃度還受抑制柱抑制容量的限制。因此，離子對(duì)試劑的濃度范圍一般為10^-4~10^-2mol/L。

有機(jī)改進(jìn)劑用于減少保留時(shí)間和改進(jìn)分離的選擇性，對(duì)疏水性較強(qiáng)組分的影響較大。常用的有機(jī)改進(jìn)劑有乙腈、甲醇和異丙醇，其中乙腈最好。被測(cè)組分和離子對(duì)試劑的疏水性越強(qiáng)，所需有機(jī)改進(jìn)劑的濃度越高，一般在5%～40%之間。

3.抑制柱反應(yīng) 離子對(duì)色譜中常用抑制型電導(dǎo)檢測(cè)，抑制柱與高效離子色譜的相同。在陰離子分離中，強(qiáng)酸型抑制柱上發(fā)生的交換反應(yīng)為：

離子對(duì)試劑（R₄N⁺OH^-)中的陽離子被除去，OH^-與樹脂（R—SO₃^-H⁺)的H⁺生成水；離子對(duì)（R₄N⁺A^-)中的被測(cè)離子A^-轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的酸。

在陽離子分離中，強(qiáng)堿型抑制柱上發(fā)生的反應(yīng)為：

離子對(duì)試劑（RSO₃^-H⁺)中的陰離子被除去，H與樹脂（R—N(CH₃)₃⁺OH^-)的OH^-生成水；離子對(duì)（RSO₃^-B⁺)中的被測(cè)離子B⁺轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的堿。

三、影響色譜峰展寬的因素

在高效液相色譜中，Van Deemter方程是描述色譜峰展寬的基本理論，即塔板高度由渦流擴(kuò)散項(xiàng)、縱向擴(kuò)散項(xiàng)和傳質(zhì)阻力項(xiàng)的總和所決定。Giddings認(rèn)為渦流擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)（橫向擴(kuò)散)這兩項(xiàng)對(duì)色譜峰展寬的影響不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)而偶合的，它們對(duì)色譜峰展寬的影響可用原兩項(xiàng)倒數(shù)和的倒數(shù)表示。Giddings偶合式（或稱為速率理論方程偶合式)為：

 （11-2)

    （11-3)

式中，H_e為渦流擴(kuò)散項(xiàng)；H_d為縱向擴(kuò)散項(xiàng)；H_m為動(dòng)態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)阻力項(xiàng)，H_sm為靜態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)阻力項(xiàng)，H_s為固定相傳質(zhì)阻力項(xiàng)，三項(xiàng)總稱為傳質(zhì)阻力項(xiàng)；H_c為偶合項(xiàng)；u為流動(dòng)相的平均線速度。下面分別對(duì)H_c、H_d、H_sm、H_s進(jìn)行討論。

（一)偶合項(xiàng)H_c對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)

渦流擴(kuò)散項(xiàng)是因同種組分分子在色譜柱中運(yùn)行的路徑不同而引起的展寬。

  （11-4)

式中，λ為填充不規(guī)則因子，d_P為樹脂顆粒的直徑。

動(dòng)態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)阻力項(xiàng)是由于同一流路中靠近固定相表面的流動(dòng)相流動(dòng)緩慢而流路中心的流動(dòng)相流動(dòng)較快而引起的展寬。

（11-5)

式中，C_m為與容量因子有關(guān)的系數(shù)，D_m為組分在流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)。

實(shí)際上，渦流擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)是相互關(guān)聯(lián)而偶合的，對(duì)塔板高度貢獻(xiàn)的偶合項(xiàng)為：

  （11-6)

在高線速度下，H_c接近H_e，即受渦流擴(kuò)散過程控制；在低線速度，H_c接近H_m，即受動(dòng)態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)阻力所控制。

（二)縱向擴(kuò)散項(xiàng)H_d對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)

縱向擴(kuò)散是由于組分在柱內(nèi)存在著濃度梯度，在流動(dòng)方向上產(chǎn)生分子擴(kuò)散而引起的色譜峰展寬�？v向擴(kuò)散對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)為：

  （11-7)

式中，γ為與色譜柱填充均勻性有關(guān)的系數(shù)，D_m和u同前。在填充柱中γ約為0.6，離子色譜中D_m值很小，約為10^-5cm²/s，所以H_d可以忽略。

（三)固定相傳質(zhì)阻力項(xiàng)H_s對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)

固定相傳質(zhì)阻力是由于組分分子在固定相內(nèi)傳質(zhì)過程的速度差而引起的色譜峰展寬。離子交換樹脂為多孔性結(jié)構(gòu)，固定相傳質(zhì)阻力影響較大。以球形離子交換樹脂作固定相時(shí)，固定相傳質(zhì)阻力對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)為：

 （11-8)

式中，D_s為組分在樹脂內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，一般為10^-8～10^-5cm²/s；k為容量因子；q為結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，對(duì)薄殼型離子交換樹脂，q值與樹脂球外徑和樹脂基核半徑有關(guān)。在離子色譜中，薄殼型離子交換樹脂的H_s值較相同直徑的其它型離子交換樹脂小200～2000倍。

（四)靜態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)阻力項(xiàng)H_sm對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)

用多孔顆粒作固定相時(shí)，孔穴內(nèi)的流動(dòng)相稱為靜態(tài)流動(dòng)相（或滯流流動(dòng)相)。組分分子必須擴(kuò)散通過靜態(tài)流動(dòng)相才能到達(dá)固定相，這種現(xiàn)象稱為靜態(tài)流動(dòng)相傳質(zhì)阻力，它對(duì)塔板高度的貢獻(xiàn)為：

    （11-9)

式中，φ為顆粒的孔隙率，r為與顆粒內(nèi)孔道彎曲程度有關(guān)的系數(shù)。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：①在離子色譜中，H_d可以忽略，H_c、H_s和H_sm對(duì)H都有影響，其影響程度與固定相的性質(zhì)和色譜條件有關(guān)。②當(dāng)d_P和u很小時(shí)，H值較小。離子色譜中采用的固定相顆粒直徑約為10μm。③流動(dòng)相的粘度較小時(shí)，D_m值較大，則H值較小。④分離溫度較高時(shí)，D_m、D_s值較大，則H值較小。⑤組分分子較小時(shí)，D_m、D_s值較大，則H值較小。

第三節(jié)  色譜條件的選擇

離子色譜法主要有三種分離方式，分離方式的選擇主要取決于被測(cè)物。親水性陰陽離子的分析，最好選用高效離子色譜法；分析無機(jī)弱酸有機(jī)酸時(shí)，一般選用高效離子排斥色譜法；若分析疏水性陰陽離子，一般選流動(dòng)相離子色譜法。下面討論抑制型離子色譜法的主要色譜條件。

一、固定相的選擇

抑制型高效離子色譜法中，分離的選擇性主要取決于固定相。固定相一般用薄殼型離子交換樹脂，其選擇性與樹脂的組成、樹脂的交換容量及功能基的類型和結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。陰離子交換樹脂的功能基一般是季銨基、叔胺基、仲胺基和伯胺基，陽離子交換樹脂的功能基多為磺酸基、羧酸基和磷酸基。強(qiáng)酸和強(qiáng)堿型樹脂可在很寬的pH范圍保持它們的容量，而弱酸和弱堿型樹脂只能在有限的pH范圍保持容量。幾種典型的抑制型離子色譜柱的固定相性質(zhì)及其基本應(yīng)用列于表11-1中。

表11-1  幾種典型的抑制型離子色譜柱的固定相性質(zhì)及其基本應(yīng)用

①陰離子交換柱。②陽離子交換柱。③給出的交換容量是對(duì)250mm×4.0mmI.D.柱而言。

高效離子排斥色譜法的固定相是總體磺化的苯乙烯-二乙烯基苯陽離子交換樹脂。樹脂的交聯(lián)度決定有機(jī)酸擴(kuò)散進(jìn)入固定相的大小程度，因而影響保留的強(qiáng)弱，目前大多數(shù)樹脂的交聯(lián)度為8%。幾種典型的離子排斥色譜柱的固定相性質(zhì)列于表11-2中。ICE-AS1主要用于分析脂肪族一元羧酸。ICE-AS5和ICE--AS6，其功能基除磺酸基外還有羧基，能與有機(jī)酸中的羥基形成氫鍵，因此，它們的保留作用除了離子排斥以外，還有疏水性吸附和氫鍵力，對(duì)有機(jī)弱酸的保留明顯增強(qiáng)。ICE-AS5主要用于二元和三元羧酸的分析，ICE-AS6主要用于復(fù)雜基體或高離子強(qiáng)度樣品中有機(jī)酸、羥基有機(jī)酸和醇類的分析，也可代替ICE-AS1和 ICE-AS5。苯乙烯-二乙烯基苯離子排斥色譜柱不宜用于芳香羧酸的分離，因?yàn)楣潭ㄏ嗪汪人岬姆枷悱h(huán)π-π相互作用，使芳香羧酸被強(qiáng)保留在柱上而難以洗脫。

表11-2  幾種苯乙烯-二乙烯基苯離子排斥色譜柱的固定相性質(zhì)

流動(dòng)相離子色譜法的固定相是交聯(lián)度為55%的乙基乙烯基苯-二乙烯基苯聚合物大孔樹脂，無離子交換功能基，在pH=0～14穩(wěn)定，允許流動(dòng)相中含有酸堿和有機(jī)溶劑，可用于陰離子和陽離子的分離。流動(dòng)相離子色譜的選擇性主要由流動(dòng)相決定，受固定相的影響較小。

二、色譜柱長(zhǎng)度的選擇

色譜柱的長(zhǎng)度影響理論塔板數(shù)，柱子越長(zhǎng)柱效越高，分離效果越好。另外，色譜柱長(zhǎng)度也影響柱交換容量。當(dāng)樣品中被測(cè)離子的濃度遠(yuǎn)小于其它離子的濃度時(shí)，推薦用長(zhǎng)色譜柱以增加柱容量，但色譜柱過長(zhǎng)又增加保留時(shí)間。所以在滿足分離要求和檢測(cè)靈敏度的條件下，盡量用較短的色譜柱。

三、洗脫液的選擇

抑制型高效離子色譜法中，在固定相選定之后，洗脫液的選擇對(duì)控制和改善分離度起著很重要作用。洗脫液必須具備兩個(gè)條件：①能從色譜柱樹脂上置換待測(cè)離子，即洗脫離子和待測(cè)離子的選擇性系數(shù)接近或稍大；②能發(fā)生抑制柱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為電導(dǎo)很低的弱電解質(zhì)或水。

陰離子分析的洗脫液一般為弱酸鹽，弱酸的pKa需大于6，包括Na₂CO₃、NaHCO₃、NaOH、Na₂B₄O₇、酚鹽、氨基酸等。選擇洗脫液的規(guī)則是：弱保留的陰離子如F^-、H₂PO₃^-、IO₃^-等，一般選弱的洗脫液，如Na₂B₄O₇、NaOH、NaHCO₃。中等保留的陰離子如NO₃^-、Br^-、SO₄^2-、PO₃^3-等，一般選用中等強(qiáng)度的洗脫液，如H₂NCH(R)COOH/NaOH、NaHCO₃/Na₂CO₃。強(qiáng)保留的陰離子如I^-、SCN^-、ClO₄^-等，一般用中等強(qiáng)度的NaHCO₃/Na₂CO₃洗脫液，并在其中加入一些極性有機(jī)溶劑如甲醇、乙醇或?qū)η璺拥�，縮短這些組分的保留時(shí)間和改善分離效果。

分析堿金屬、銨和小分子脂肪胺等一價(jià)陽離子時(shí)，洗脫液常用HCl或HNO₃的稀溶液，濃度為2～40mmol/L。二價(jià)陽離子對(duì)樹脂的親和力較大，必須用較高濃度的無機(jī)酸才能將它們洗脫下來，這就縮短了抑制柱的再生周期和使用壽命，并加重對(duì)儀器不銹鋼部件的腐蝕，因此，HCl和HNO₃不適合作二價(jià)離子的洗脫液。堿土金屬離子常用二氨基丙酸、乙二酸、檸檬酸等有機(jī)洗脫液，其中2,3-二氨基丙酸和HCl的混合溶液洗脫效果較好。

另外，洗脫液的濃度和pH也影響洗脫能力，濃度增大洗脫能力增強(qiáng)，弱酸陰離子和弱堿陽離子受pH的影響較大。

流動(dòng)相離子色譜法中洗脫液的主要作用是改變?nèi)芤旱膒H值，控制弱酸的離解。因此，洗脫液的pH是影響弱酸保留的主要因素，pH值越小，弱酸的保留時(shí)間越長(zhǎng)。最簡(jiǎn)單的洗脫液是去離子水，主要用于碳酸鹽的分析。對(duì)有機(jī)酸的分離，常用的洗脫液是無機(jī)酸，如HCl、H₂SO₄或HNO₃，有時(shí)在洗脫液中加入少量有機(jī)溶劑，如乙腈、丙醇或乙醇，以減弱它們的保留。另一類洗脫液是烷基磺酸和全氟代羧酸，如辛烷磺酸、全氟代丁酸、全氟代庚酸等。抑制型電導(dǎo)檢測(cè)時(shí)，酸的最高使用濃度一般為0.01mol/L，所以流動(dòng)相離子色譜主要用于pKa值在1.5～7之間的有機(jī)弱酸的分析。此外，用抑制柱時(shí)，必須根據(jù)不同的抑制柱來選擇洗脫液,一般纖維膜抑制柱用烷基磺酸為洗脫液，填充抑制柱用HCl為洗脫液。

四、洗醫(yī).學(xué)全在線脫液流速的選擇

Giddings速率理論方程表明，理論塔板高度在非常低的流速時(shí)有較明顯的增加，此后緩慢增加并趨于平穩(wěn)，因此增加洗脫液流速能縮短保留時(shí)間而并不明顯地降低柱效。但流速的增加還受色譜柱最大操作壓力的限制。所以，在能滿足分離度要求的情況下，盡量增大洗脫液流速，縮短分析時(shí)間，一般小于1ml/min。在對(duì)樹脂親和力差別較大的多離子檢測(cè)中，用梯度洗脫更為合適。

第四節(jié)  離子色譜法的應(yīng)用

離子色譜法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在對(duì)無機(jī)陰離子的分析，也可用于無機(jī)陽離子、有機(jī)酸堿、糖類、氨基酸和蛋白質(zhì)等化合物的分析。能用離子色譜法測(cè)定的無機(jī)陰陽離子以及有機(jī)化合物已達(dá)200多種，廣泛地應(yīng)用于預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生檢驗(yàn)、藥物分析、生命科學(xué)、石油化工、電力工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

1．水中無機(jī)陰離子的測(cè)定  美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA)將高效離子色譜法作為飲用水和廢水中陰離子測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。采用AS14色譜柱，洗脫液為 4.8mmol/LNa₂CO₃ 和 0.6mmol/L NaHCO₃的混合溶液，流速為1.5ml/min，使用抑制型電導(dǎo)檢測(cè)。樣品經(jīng)0.2μm微孔濾膜過濾，取10～20μl濾液進(jìn)樣分析。陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖見圖11-5。

圖 11-5  陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖

2.血清鉀、鈉、鈣、鎂離子的分析  高效離子色譜法可作為血清鉀、鈉、鈣、鎂離子測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。采用CS12A色譜柱，洗脫液為18mmol/L甲烷磺酸，流速為1.0ml/min，使用抑制型電導(dǎo)檢測(cè)，CSRS循環(huán)模式。樣品用2mol/LHCl稀釋100倍左右，平衡2h，再用0.5μm微孔濾膜過濾，濾液經(jīng)適當(dāng)稀釋后進(jìn)樣25μl。陽離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖見圖11-6。

圖 11-6  陽離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖

3.果汁、飲料和番茄汁中有機(jī)酸的分析  食品中的有機(jī)酸可采用高效離子排斥色譜法測(cè)定。色譜柱用ICE-AS6，洗脫液是 0.4mmol/L全氟丁酸，流速 1.0ml/min，抑制型電導(dǎo)檢。樣品稀釋50～100倍，用0.5μm微孔濾膜過濾，取25μl濾液進(jìn)樣分析。有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖見圖11-7。

圖11-7  有機(jī)酸的離子色譜圖

1―草酸；2―酒石酸；3―檸檬酸；4―羥基丁二酸；5―羥基乙酸；6―甲酸；7―乳酸；8―α羥基丁酸；9―乙酸；10―丁二酸；11―富馬酸；12―丙酸；13―戊二酸

（張麗萍 和彥苓)